Schalldämpfer auf der Basis metallischer Hohlkugelstrukturen für Kleingeräte mit Verbrennungsmotor in Einsatzgebieten des Gartenbaus sowie der dezentralen Energieversorgung

Aktenzeichen 24707/01
Zusammenfassung / Abstract:
Abschlussbericht: DBU-Abschlussbericht-AZ-24707.pdf (2.24 MB)
Projektträger: AS-MOTOR GERMANY GmbH & Co. KG
Lindenstr. 1
74420 Oberrot
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Telefon: 07977 71 102
Internet: http://www.as-motor.de
Bundesland: Sachsen
Beschreibung:
Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Aufbauend auf Vorarbeiten mit metallischen Hohlkugelstrukturen als Schallabsorberwerkstoff war es das Ziel, prototypische Schalldämpfer für Kleingeräte des Gartenbaus sowie der dezentralen Energieversorgung mit Verbrennungsmotor zu entwickeln. Neben den akustischen, d. h. schalldämmenden Eigenschaften der Hohlkugelstrukturen, die durch die gezielte Beeinflussung der Struktur an die entsprechende Einsatzsituation anzupassen sind, sollten auch Anforderungen wie Temperaturbeständigkeit, Verschmutzungsresistenz, gute mechanische Stabilität, Korrosionsbeständigkeit, Bearbeitbarkeit und geringes Eigengewicht einer Lösung zugeführt werden. Diese komplexen Anforderungen sollten durch hybride Schalldämpfer gelöst werden, welche hier aus metallischen Hohlkugelstrukturen aufgebaut werden sollten.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenEs war geplant, den neuen Absorberwerkstoff aus gesinterten metallischen Hohlkugelstrukturen
herzustellen.
Der Entwicklungsprozess gliederte sich im Wesentlichen in die Schritte:
* Rechnerische und experimentelle Modellierung, ausgehend vom Ist-Zustand
* Werkstoffentwicklung (absorbierende, oxydationsbeständige, mechanisch stabile Hohlkugelstrukturen)
* Technologieentwicklung (Sintern großer Bauteile)
* Fertigung von Prototypen, Erprobung und Charakterisierung
Daraus abgeleitet ergaben sich folgende Arbeitspakete:
* Ermittlung des akustischen Ist-Zustandes, Auslegung der Hohlkugelstrukturen
* Herstellung von Hohlkugelstrukturen, Entwicklung der Entbinder- und Sintertechnologie
* Entwicklung von Prüfständen, Akustische und mechanische Charakterisierung der Strukturen
* Herstellung der prototypischen Schalldämpfer, Prüfung und Test


Ergebnisse und Diskussion

Im Rahmen des Projektes wurde auf der Basis metallischer Hohlkugelstrukturen (MHKS) ein völlig neuartiger schallabsorbierender Werkstoff für den Einsatz in Schalldämpfern an Verbrennungsmotoren entwickelt. Es wurde gezeigt, dass dessen akustisches Verhalten durch gezielte Beeinflussung der Struktur an die entsprechende Einsatzsituation anpasst werden kann.

Es wurden prototypische Schalldämpfer für Zweitakt-Rasenmäher aufgebaut und sowohl im Prüfstand als auch am Gerät ausführlich getestet.

Die mit MHKS ausgerüsteten und mit Metallgestrick-Katalysator versehenen prototypischen Schalldämpfer zeigten sowohl in Untersuchungen am Prüfstand als auch am realen Gerät die Möglichkeit auf, den Schalleistungspegel gegenüber des ebenfalls mit Kat versehenen, bisher verwendeten Reflexionsschalldämpfer deutlich zu senken. Gleichzeitig konnte durch die neue Schalldämpfer-Konstruktion die Motorleistung erhöht werden. Die Einhaltung der gültigen EU-Richtlinien wird durch die Verwendung des neuen Auspuffsystemes möglich werden.

Die benötigten Formteile wurden bisher größtenteils aus größeren Blöcken mechanisch herausgearbeitet. Die Near-Net-Shape- bzw. Net-Shape-Fertigung mit einem eigens hierfür angefertigten Formwerkzeug zeigte noch zu unterschiedliche Schrumpfungen und damit Deformationen während des Sinterprozesses. Hier sind noch weitere Arbeiten notwendig.

Unter den bei der Katalyse im Inneren des Schalldämpfers auftretenden Temperaturen bis über 1100°C zeigen die aus dem hoch oxydationsbeständigen Fe-Cr-Al-Stahl 1.4767 gefertigten Strukturen allerdings noch eine ungenügende Beständigkeit. Aus diesem Grunde wurden Untersuchungen zur Erhöhung der Oxydationsbeständigkeit durch gezielte Voroxydation (Ausbildung einer oxydischen Schutzschicht) und/oder durch Beschichtung mit einer speziellen Polymerkeramik in den Arbeitsplan aufgenommen.

Diese Beschichtungs- und nachfolgenden Oxydationsversuche an Teststrukturen weisen auf eine gute Eignung der polymerkeramischen Beschichtung hin. Dieses Verfahren muss im Nachgang auf größere Teile übertragen werden. Mit den beschichteten größeren Teilen werden Praxistests notwendig sein.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

Bisher erfolgten keine Veröffentlichungen zu diesem konkreten Thema. Ein Workshop zum Thema EU Schallschutzrichtlinie mit dem Schwerpunkt Hohlkugelstrukturen als Schalldämpfer-materialien in verbrennungsmotorgetriebenen Kleingeräten wurde im Februar 2008 am Fraunhofer IFAM Dresden durchgeführt.
Für die Zukunft sind Veröffentlichungen der Ergebnisse auf Konferenzen geplant, die sich mit den Themen poröse metallische Werkstoffe beschäftigen, geplant. Beispielhaft sei hier die Konferenz CELLMAT 2010 genannt, welche das Fraunhofer IFAM im kommenden Jahr in Dresden organisieren wird.
Darüber hinaus soll durch das Verfassen von Pressemitteilungen und durch Kurzmeldungen an verschiedene für den Maschinenbau relevante Zeitschriften das Wissen über diese innovative Lösung verbreitet werden.


Fazit

Metallische Hohlkugelstrukturen erwiesen sich prinzipiell als sehr geeigneter Werkstoff für den Einsatz als Schalldämpfermaterial in Auspuffanlagen von Rasenmähern und ähnlichen Kleingeräten.
Entsprechende Anpassungen sowie der Test der angepassten Schalldämpfer am Motorprüfstand und am realen Gerät führten zu einer deutlichen Senkung des Schalldruckpegels des Gerätes bei Einhaltung der Abgasgrenzwerte und einer gleichzeitigen Erhöhung der Motorleistung.
Nach bevorstehender Aufnahme der Serienproduktion von Hohlkugelstrukturen werden Schalldämpfer aus metallischen Hohlkugelstrukturen eine technische und wirtschaftliche Alternative zu den bestehenden Lösungen sein. Um Serienreife zu erlangen, sind noch einige Fragestellungen zu lösen, die in einem Folgeprojekt bearbeitet werden sollen:

(1) Schaffung einer wärmebeständigen Struktur durch Beschichtung mit Oxydkeramik
(2) Implementierung des Katalysators bereits während des Sinterprozess
(3) Entwicklung eines bei Temperaturen um 1100°C mechanisch stabilen Katalysators aus
Metallschaum (Ablösung der bisherigen Metall-Gestricke)
(4) Entwicklung einer intelligenten, verspannbaren und oxydationsbeständigen Blech-Außenhaut an
Stelle der ursprünglich geplanten thermischen Beschichtung

Förderzeitraum: 01.07.2007 - 01.07.2009 (2 Jahre)
Fördersumme: 116.363,00
Förderbereich: I.1.1
Themengebiet: Umwelttechnik
Stichworte: Umwelttechnik
Publikationen:
Geografisch:


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